Ein Project der muVaP GmbH.
Energieeffiziente Lösungen für miniaturisierte Anwendungen
Das Ziel dieses Vorhabens ist die Entwicklung eines anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreises (ASIC) zur Ansteuerung von piezoelektrischen Aktoren in den Mikroventilen und Mikropumpen der muVaP GmbH. Diese Technologie ist im Vergleich zu konventionellen Magnetventilen deutlich energieeffizienter. Damit soll der kompaktere ASIC den Übergang von stromhungrigen Lösungen zu hocheffizienten, stromsparenden Ventilen erleichtern und einen leiseren, einfacher bedienbaren Betrieb sicherstellen.
Aktuell existieren keine effizienten Steuerelektroniken, die es ermöglichen, miniaturisierte und energieeffiziente Geräte anzubieten. Insbesondere in Anwendungen, bei denen die Ventile in einer Multiarray-Form eingesetzt werden, wie zum Beispiel in Dialysegeräten, zeigen die Ventile der muVaP GmbH bereits deutliche Vorteile. Mit diesen kann eine bessere Energieeffizienz und Proportionalität im Vergleich zu herkömmlichen Magnetventilen erreicht werden, die viel Energie verbrauchen und unerwünschte Abwärme erzeugen.
Technische Spezifikationen und Entwicklungsprozess des ASICs
Bis Projektende sollen funktionsfähige Chips entwickelt werden, die in der realen Arbeitsumgebung des Ventils getestet werden können. Dafür werden zunächst die technischen Spezifikationen, z. B. die Anforderungen an den Ventiltreiber, wie Spannungsbereiche und Energieverbrauch, festgelegt. Anschließend findet die Entwicklung einer Topologie für die mehrkanalige Hochspannungspumpe mit Energierückgewinnung, gefolgt von der Schaltplaneingabe, dem Layout und der Verifikation der Schaltung, statt. Die ASICs werden danach in der Waferfab gefertigt und mit einem Gehäuse versehen und verifiziert.
Die Muster-ASICs werden dann zusammen mit den vorhandenen Ventilen charakterisiert, wobei Leistungskriterien wie Stromverbrauch und Reaktionszeit gemessen und mit bestehenden Lösungen verglichen werden. Sicherheitstests, wie Verpolungsschutz und Überspannungsschutz, werden ebenfalls durchgeführt. Die angestrebte Anwendung der Piezo-Mikro-Aktor-Technologie reicht von biomedizinischen und pharmazeutischen Bereichen bis hin zu medizinischen Diagnosen und Arzneimittelforschung.
Reduzierung des Energieverbrauchs und CO2-Fußabdrucks durch innovative Hardware-Designs
Durch die Verkleinerung der Steuerelektronik wird der Energieverbrauch der Piezoventile erheblich gesenkt; sie benötigen typischerweise nur etwa 40 mW im Vergleich zu mehreren Watt, die Magnetventile verbrauchen. Diese Energieeinsparung trägt direkt zur CO2-Reduzierung bei. Zudem ermöglicht ein verbessertes Hardware-Ecodesign durch eine geringere Anzahl von Komponenten und kompaktere Bauweise eine effizientere Nutzung des verfügbaren Raums, was die Effizienz der Anwendung steigert.
Im Rahmen des Projekts soll die Anzahl der benötigten Bauteile für einen Ventiltreiber von über 50 auf weniger als 10 durch die Implementierung eines ASICs reduziert werden. Dies führt zu einer signifikanten Verringerung der Leiterplattenfläche und somit auch zu Einsparungen bei Gewicht, Fläche und Kosten.
Marktchancen und Anwendungspotenziale der Mikroventile in verschiedenen Branchen
Es gibt bereits zahlreiche Anfragen von Geräteherstellern aus den Bereichen Robotik, Automotiv und MedTech, die das immense Anwendungspotenzial der Mikroventile erkannt haben. Diese Ventile sind besonders attraktiv für die Pharma- und Medizintechnik, da sie einen geringen Platzbedarf, einen extrem niedrigen Energieverbrauch sowie ein schnelles und präzises Ansprechverhalten bieten. Beispiele für Anwendungen sind Regelventile in medizinischen Beatmungsgeräten, Perfusionspumpen zur Medikamentenverabreichung und pneumatische Ventile in Dialysesystemen sowie in Zellkulturen und Zellbehandlungsgeräten. Darüber hinaus finden die Mikroventile auch in verschiedenen industriellen Bereichen Verwendung, etwa im Tintenstrahldruck, in Druckregelventilen in der Luftfahrt, in Satelliten und in Systemen zur Kontrolle der Lebensmittel- und Umweltqualität. Die Einführung der ASIC-Lösung wird die Produktionskosten erheblich senken, was ein großes Wachstumspotenzial für die muVaP GmbH schafft.
Nach Projektende wird sich das Fraunhofer EMFT auf die industrielle Umsetzung und Validierung der entwickelten ASIC-Technologie konzentrieren. Die erfolgreiche Herstellung der ASIC-Muster und deren Tests sind entscheidend, um die Zuverlässigkeit und Funktionalität der Technologie zu gewährleisten. Zudem sieht das Fraunhofer-Institut die Möglichkeit, in Zukunft weitere Kooperationen einzugehen, um ASICs oder andere Bauteile für unterschiedliche Anwendungen, einschließlich Mikropumpen und Hochgeschwindigkeitsventile, zu entwickeln.
Projektpartner:
Dr. Ardavan Shabanian, muVaP GmbH
Fraunhofer-Institut für Elektronische Mikrosysteme und Festkörper-Technologien EMFT
Projektzeitraum:
Start: 01.11.2024, Ende: 31.10.2025